工程教育專業(yè)認(rèn)證背景下提高化工產(chǎn)業(yè)人才工程設(shè)計(jì)與應(yīng)用能力的教學(xué)實(shí)踐

毛 磊 雷 楊 范寶安 俞丹青 梁文懂 顏家保

(武漢科技大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院，湖北 武漢 430081)

中國工程教育專業(yè)認(rèn)證協(xié)會在工程教育本科層次人才培養(yǎng)的通用標(biāo)準(zhǔn)中，對學(xué)生畢業(yè)時(shí)應(yīng)該掌握的知識和能力提出了12條要求，其中第3 條要求“設(shè)計(jì)/開發(fā)解決方案”具體內(nèi)容為：能夠設(shè)計(jì)針對復(fù)雜工程問題的解決方案，設(shè)計(jì)滿足特定需求的系統(tǒng)、單元(部件)或工藝流程，并能夠在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中體現(xiàn)創(chuàng)新意識，考慮社會、健康、安全、法律、文化以及環(huán)境等因素。專業(yè)認(rèn)證對工程能力提出更高的要求，工程設(shè)計(jì)能力是衡量一名工程師是否合格的重要標(biāo)志。在工程設(shè)計(jì)中對“現(xiàn)代工程工具和信息技術(shù)工具”的熟練運(yùn)用，也是專業(yè)認(rèn)證通用標(biāo)準(zhǔn)第5條要求“使用現(xiàn)代工具”的主要內(nèi)容。

化工專業(yè)開設(shè)的化工原理、化學(xué)反應(yīng)工程等專業(yè)核心課程和課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)等各種實(shí)踐環(huán)節(jié)，對培養(yǎng)工程設(shè)計(jì)能力起到了重要作用，但實(shí)際教學(xué)過程中對于工程設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)還存在理論與實(shí)際結(jié)合不足，教學(xué)手段需要升級等問題。學(xué)生對許多設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理只有表觀認(rèn)知，部分設(shè)計(jì)計(jì)算不會利用軟件包而局限于手算，缺少工程設(shè)計(jì)和實(shí)踐的經(jīng)歷，因此理論與實(shí)踐相互融合的脫節(jié)、學(xué)生工程素質(zhì)欠缺、使用現(xiàn)代工具的能力不足等問題日益凸顯。

針對這些問題，各高校提出了自己的改革措施。三峽大學(xué)根據(jù)地域優(yōu)勢面向行業(yè)辦學(xué)，提出 “工程設(shè)計(jì)”為核心的工程教育培養(yǎng)模式[1]，為地方經(jīng)濟(jì)服務(wù)。內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)基于成果導(dǎo)向教育理念對課程設(shè)計(jì)教學(xué)體系進(jìn)行系統(tǒng)化層次劃分，提出多維度學(xué)習(xí)的模式[2]。合肥工業(yè)大學(xué)[3]系統(tǒng)地優(yōu)化了教學(xué)體系，實(shí)施以工程設(shè)計(jì)向?qū)嵺`能力遞進(jìn)為核心的化工設(shè)計(jì)系列實(shí)踐課程群。桂林理工大學(xué)按照大課程布局[4]建立了化工設(shè)計(jì)類課程教學(xué)體系。

本文以化學(xué)工程與工藝專業(yè)核心課程的課堂教學(xué)以及各類工程設(shè)計(jì)實(shí)踐活動為依托，從理論教學(xué)出發(fā)，注重培養(yǎng)工程觀點(diǎn)，采用課程項(xiàng)目(project)培養(yǎng)基礎(chǔ)工程設(shè)計(jì)能力；將課程設(shè)計(jì)選題與科研實(shí)際相結(jié)合，強(qiáng)調(diào)工程設(shè)計(jì)理念，結(jié)合基礎(chǔ)知識進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)；在畢業(yè)設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)競賽環(huán)節(jié)進(jìn)一步接近專業(yè)工程設(shè)計(jì)內(nèi)涵，逐步形成對化工產(chǎn)業(yè)人才工程設(shè)計(jì)與應(yīng)用能力培養(yǎng)的教學(xué)實(shí)踐模式，保證專業(yè)教育質(zhì)量和專業(yè)教育活力。

1 理論與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)體系構(gòu)建

遵循以人為本、由淺入深、循序漸進(jìn)、潛移默化的教學(xué)規(guī)律，將工程設(shè)計(jì)訓(xùn)練貫穿于理論教學(xué)與實(shí)踐，從化工原理、化學(xué)反應(yīng)工程和分離工程等課程的理論教學(xué)到課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)競賽等各實(shí)踐環(huán)節(jié)，構(gòu)建以培養(yǎng)基礎(chǔ)工程設(shè)計(jì)能力為目標(biāo)的課堂教學(xué)，以運(yùn)用基礎(chǔ)知識實(shí)現(xiàn)綜合設(shè)計(jì)的課程設(shè)計(jì)，以及接近專業(yè)工程設(shè)計(jì)水平能力培養(yǎng)的畢業(yè)設(shè)計(jì)與設(shè)計(jì)競賽的三層次工程設(shè)計(jì)與應(yīng)用能力培養(yǎng)體系。

1.1 教學(xué)模式

課堂教學(xué)中，注重對設(shè)計(jì)原理的理解，采用課程項(xiàng)目模式，掌握單個(gè)設(shè)備的設(shè)計(jì)程序，打下扎實(shí)的基礎(chǔ)；對課程設(shè)計(jì)，系統(tǒng)運(yùn)用所學(xué)知識，在各單元設(shè)備設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，采用綜合的流程設(shè)計(jì)模式；畢業(yè)設(shè)計(jì)與設(shè)計(jì)競賽，應(yīng)用全局設(shè)計(jì)模式，對經(jīng)濟(jì)與社會環(huán)境效益的總體進(jìn)行評估，體現(xiàn)專業(yè)工程設(shè)計(jì)水平。

1.2 設(shè)計(jì)計(jì)算/工程制圖工具的掌握

完成復(fù)雜的工程設(shè)計(jì)，需要掌握相關(guān)的現(xiàn)代化工具以提高優(yōu)化設(shè)計(jì)能力和綜合分析能力。培訓(xùn)學(xué)生熟練使用相關(guān)軟件設(shè)計(jì)包，了解工業(yè)設(shè)計(jì)模式，與實(shí)際工業(yè)設(shè)計(jì)模式接軌，為達(dá)到專業(yè)工程設(shè)計(jì)人員水平奠定基礎(chǔ)?；ぴO(shè)計(jì)中，Excel和Origin可用于基本的數(shù)據(jù)處理；Polymath、Matlab、Java語言編程等可進(jìn)行數(shù)值積分計(jì)算；AutoCAD、Visio用于繪制設(shè)備裝配圖、流程圖；Cuptower進(jìn)行塔設(shè)備設(shè)計(jì)與校核；應(yīng)用Aspen Plus對換熱器、吸收精餾塔設(shè)備、反應(yīng)器等進(jìn)行模擬設(shè)計(jì)與優(yōu)化計(jì)算。

2 重基礎(chǔ)的課程項(xiàng)目設(shè)計(jì)

在課堂教學(xué)中，以基本原理為導(dǎo)向，采用課程項(xiàng)目模式，培養(yǎng)學(xué)生進(jìn)行設(shè)計(jì)并校核單臺設(shè)備的能力。

化工原理課程項(xiàng)目基于單元操作內(nèi)在的三傳理論基礎(chǔ)，根據(jù)流體力學(xué)原理進(jìn)行管路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；根據(jù)傳熱原理進(jìn)行換熱器的選型與核算；根據(jù)傳質(zhì)過程的相平衡原理進(jìn)行填料吸收塔填料層設(shè)計(jì)、板式精餾塔理論塔板設(shè)計(jì)；依據(jù)流體水力學(xué)性能與傳質(zhì)性能的氣液傳質(zhì)設(shè)備結(jié)構(gòu)優(yōu)化?；诨瘜W(xué)反應(yīng)工程的化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)原理以Matlab為計(jì)算工具進(jìn)行理想反應(yīng)器選型與尺寸計(jì)算；以單一反應(yīng)的體積最小為目標(biāo)進(jìn)行組合反應(yīng)器的優(yōu)化設(shè)計(jì)。分離工程通過典型的二元精餾過程的模擬計(jì)算、設(shè)計(jì)及優(yōu)化，深入理解精餾過程各參數(shù)之間的關(guān)系，提高學(xué)生使用Aspen Plus軟件的綜合能力；進(jìn)一步基于三傳理論進(jìn)行多組分分離方法選擇，實(shí)現(xiàn)多元精餾過程設(shè)計(jì)。

3 重綜合的課程設(shè)計(jì)

課程設(shè)計(jì)是運(yùn)用化工單元操作知識進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)的一次工程設(shè)計(jì)實(shí)踐。

3.1 選題的工業(yè)應(yīng)用背景

在化工原理課程設(shè)計(jì)的選題當(dāng)中，結(jié)合學(xué)生實(shí)際能力和完成水平，在保證具有普遍指導(dǎo)意義的設(shè)計(jì)題目的同時(shí)，賦與工業(yè)應(yīng)用的大背景及結(jié)合科研前沿理論與技術(shù)開發(fā)，強(qiáng)調(diào)理論與實(shí)際相結(jié)合。如，來源于科研項(xiàng)目的設(shè)計(jì)案例“克勞斯尾氣、高爐煤氣、電廠煙氣的脫硫”、“精苯廢酸再生工藝”、“焦化蒸氨廢水中氨的解吸”等；具有學(xué)科前沿理論和一定深度的設(shè)計(jì)項(xiàng)目如反應(yīng)精餾、加鹽精餾、化學(xué)吸收、高濃度氣體吸收等。學(xué)生在常規(guī)的設(shè)計(jì)案例基礎(chǔ)上，必須獲取額外的必要信息(如體系的平衡數(shù)據(jù)，吸收劑的特性參數(shù)等)，并且要求了解其他的相關(guān)前沿技術(shù)和工業(yè)應(yīng)用案例，融入自己的工藝流程設(shè)計(jì)。

3.2 注重綜合運(yùn)用知識進(jìn)行工程設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)，為畢業(yè)設(shè)計(jì)及工程設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)

課程項(xiàng)目訓(xùn)練中已對填料塔、板式塔、換熱器、流體輸送機(jī)械等各種化工行業(yè)最普遍的典型設(shè)備進(jìn)行過單獨(dú)的理論設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上，課程設(shè)計(jì)進(jìn)一步完善整個(gè)工藝、設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化，撰寫技術(shù)文件和工程制圖，培養(yǎng)基本的工程設(shè)計(jì)能力，為順利進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)和工程設(shè)計(jì)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

3.3 提倡創(chuàng)新思維，更新設(shè)計(jì)思路

在課程設(shè)計(jì)中，除規(guī)定一些必要的設(shè)計(jì)參數(shù)，鼓勵(lì)學(xué)生勇于嘗試不同的設(shè)計(jì)工藝，選擇新型填料、新型塔板，設(shè)計(jì)中一定要有不同于其他同學(xué)的設(shè)計(jì)特色，避免雷同。組織學(xué)生互相交流，相互之間不同的設(shè)計(jì)方案、設(shè)計(jì)思路進(jìn)行對比、分析、評價(jià)。同組可以比較不同設(shè)計(jì)參數(shù)的選取，不同小組對比處理量、產(chǎn)品質(zhì)量要求等工藝條件的變化對設(shè)計(jì)結(jié)果的影響。

4 重應(yīng)用的畢業(yè)設(shè)計(jì)與設(shè)計(jì)競賽

在畢業(yè)設(shè)計(jì)與設(shè)計(jì)競賽中，從資料收集與綜合、技術(shù)路線與設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇、編程或利用現(xiàn)有軟件進(jìn)行工藝及典型設(shè)備的選型和計(jì)算、工藝流程圖及設(shè)備布置圖紙的繪制等方面規(guī)范設(shè)計(jì)全過程，并全面考慮工程與社會、環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展等應(yīng)用因素，從全局觀培養(yǎng)卓越工程師應(yīng)具備的基本素質(zhì)。

目前國內(nèi)規(guī)模最大、影響最廣的全國大學(xué)生化工設(shè)計(jì)競賽涵蓋了可研分析、單元操作設(shè)備與反應(yīng)器的設(shè)計(jì)和優(yōu)化、流程模擬、方案對比和經(jīng)濟(jì)評估等各方面內(nèi)容，極富創(chuàng)造性和挑戰(zhàn)性。參與設(shè)計(jì)競賽是對現(xiàn)有教學(xué)環(huán)節(jié)的延續(xù)、深化、綜合、提升，可以幫助學(xué)生全方位理解化工過程的基本原理與化工設(shè)計(jì)的主要步驟，依靠自己的分析判斷解決復(fù)雜工程問題，體驗(yàn)接近實(shí)際工程設(shè)計(jì)的過程。

5 結(jié)語

本文從課堂理論教學(xué)出發(fā)，夯實(shí)基礎(chǔ)，以此在課程設(shè)計(jì)中運(yùn)用基礎(chǔ)知識實(shí)現(xiàn)綜合設(shè)計(jì)，通過畢業(yè)設(shè)計(jì)和化工設(shè)計(jì)競賽等實(shí)踐環(huán)節(jié)獲得接近專業(yè)工程設(shè)計(jì)水平能力培養(yǎng)。經(jīng)歷這樣一個(gè)教學(xué)漸進(jìn)過程，以基本設(shè)計(jì)理論為基礎(chǔ)，側(cè)重使學(xué)生熟練掌握使用現(xiàn)有設(shè)計(jì)工具，從理論基礎(chǔ)提升到知識應(yīng)用的層次，綜合求解復(fù)雜工程問題，由單一性知識訓(xùn)練到綜合性知識應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)課程內(nèi)容與應(yīng)用能力培養(yǎng)相適應(yīng)。對學(xué)生的工程設(shè)計(jì)與應(yīng)用能力培養(yǎng)方面應(yīng)更注重延續(xù)性，教學(xué)與實(shí)踐多環(huán)節(jié)相互關(guān)聯(lián)與補(bǔ)充，特別是充分利用先進(jìn)的現(xiàn)代化工具實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)，鍛煉工程應(yīng)用能力。